主流以太网标准

以太网是目前使用最为广泛的局域网，从20世纪70年代末就有了正式的网络产品。在整个80年代中以太网与PC机同步发展，其传输速率自20世纪80年代初的10 Mbps发展到90年代达到100 Mbps，目前已经出现了10 Gbps的以太网产品。以太网支持的传输介质从最初的同轴电缆发展到双绞线和光缆。星型拓扑的出现使以太网技术上了一个新台阶，获得了更迅速的发展。从共享式以太网发展到交换式以太网，并出现了全双工以太网技术，致使整个以太网系统的带宽成十倍、百倍地增长，并保持足够的系统覆盖范围（表4−1）。

表4−1 常见以太网技术规范

1. 标准以太网

标准以太网作为最早的以太网标准，在以太网技术的发展和应用中起到了举足轻重的作用。它包括使用同轴电缆、双绞线以及光纤等不同介质传输的以太网技术。帧是数据链路层的协议数据单元，以太网的很多特性可以从其帧格式中看出来。以太网有两种帧，一种是DIX第2版规范定义的帧，另一种是IEEE 802.3标准定义的帧，这两种帧差别不大。实际的以太网都使用前一种帧，后一种帧极少使用。DIX第2版规范定义的帧格式如图4−9所示，由6个字段组成，前4个字段是首部，最后一个字段是尾部，这些都是控制信息，由网卡填写，数据字段则是网络层的协议数据单元。

图4−9 以太网的帧格式

前同步码（preamble）：前同步码长度为8字节，内容是固定的，前7个字节都是10101010，最后一个字节是10101011。前同步码的作用是使接收方网卡的接收频率与发送方网卡的发送频率精确一致，被称为同步。接收网卡发现媒体上出现前同步码时，就据此调整自己的接收频率，做到与发送网卡频率同步，就可以正确接收后面的帧了。有了前同步码，网卡的频率不需要非常精确，因为每接收一帧前都可以调整频率。

目的地址（destination address）：目的地址长度为6字节，是接收方网卡的物理地址，如前所述，网卡据此判断帧是不是发给自己的。若是广播帧，这里就是FF-FF-FF-FF-FF-FF。

源地址（source address）：源地址长度为6字节，是发送方网卡的物理地址，让接收方知道这个帧是从哪里发来的。有时源地址起到身份识别的作用，修改网卡的物理地址可以冒充别的计算机，所以用源物理地址进行身份识别非常不可靠。

类型（type）：类型长度为2字节，说明数据字段的内容是什么类型。网络层协议有多种，每一种协议都由不同的网络层实体实现，网卡根据本字段决定把数据字段的内容交给哪个网络层实体。如果本字段的值是十六进制的“0800”，说明是IP协议的协议数据单元，网卡拆封后交给IP协议实体；如果本字段的值是十六进制的“8137”，说明是IPX协议的协议数据单元，网卡拆封后交给IPX协议实体。虽然网络层协议有多种，但目前应用最多的是IP协议。

数据（data）：数据最短为46字节，最长为1 500字节。限制数据不能过短，是为了使一个帧在争用期内发不完，保证能够检测到碰撞。以太网的地理覆盖范围最多数千米，根据信号的传播速度，能确定从网络一端到另一端的最大往返时延为51.2 μs，这就是CSMA/CD协议的争用期，早期以太网的速率是10 Mbps，在51.2 μs的争用期内能发送512位，也就是64字节。目的地址、源地址、类型和CRC共18字节，加上数据的最短长度46字节，正好64字节（前同步码不计入帧长度），这就是数据最短46字节的由来。如果网络实体交来的协议数据单元过短，不够46字节，就要填充一些无用数据凑够46字节。

帧出错时需要重传整个帧，太大的帧包含了很多正确的不需重传的数据，代价太高，同时处理大帧需要网卡有较多的内存，这是限制数据不能过长的原因。

CRC：CRC长度4字节，就是本章介绍的循环冗余检验，用以检验该帧是否出错。发送方使用33位的生成多项式，计算出的附加码是32位，置于此字段，接收方用同样的生成多项式检验。这个过程由网卡用硬件实现，速度很快，也不占用计算机的CPU与内存。如果发现出错，网卡就把该帧丢弃，不再交给网络层实体，但是以太网并不负责重传错误的帧，重传错误的数据由运输层的TCP协议负责。可见，以太网仅保证不向网络层实体交付错误的数据，并不保证可靠传输。

（1）10 Base−5。

以太网最早使用粗同轴电缆作为传输媒体，这种以太网称为10 Base−5以太网，“10”表示数据传输速率为10 Mbps，“Base”表示数据经曼彻斯特编码后直接传输，“5”表示每段同轴电缆的最大长度为500 m。10 Base−5以太网整个网络的最大跨距为2 500 m，采用总线型拓扑结构，这是一种广播链路，使用CSMA/CD协议解决碰撞问题。目前10 Base−5已不再使用，因为它的成本比较高，网络维护较困难，如图4−10所示。

图4−10 10 Base−5

（2）10 Base−2。

10 Base5以太网安装复杂、设备昂贵、故障难以定位，1986年改进为10 Base−2以太网。“10”与“Base”的含义与“10 Base−5”以太网相同，“2”表示每段同轴电缆的最大长度为200 m。10 Base−2以太网把传输媒体改为细同轴电缆，同时简化了连接头，仍采用总线型拓扑结构，使用CSMA/CD协议。与10 Base−5以太网相比，10 Base−2以太网更容易安装，更容易增加新节点，能大幅度降低费用，但同现在使用的以太网相比，10 Base−2以太网仍然安装复杂、设备昂贵、故障难以定位。例如，细同轴电缆的连接头叫做T型头，如图4−11所示，T型头用不锈钢制作，与RJ−45头相比，价格贵、体积大、接线复杂、易出故障。

图4−11 10 Base−2

（3）10 Base−T。

10 Base−5以太网与10 Base−2以太网缺点很多，因此在1990年，IEEE发布了新的以太网标准，这就是10 Base−T以太网。10 Base−T以太网有两项革命性的改进，一是用双绞线代替同轴电缆，二是用星型拓扑结构代替总线型拓扑结构，这在以太网的发展史上有里程碑性的意义。经此改进，以太网安装简单、设备价格低廉、故障易于定位，为以太网战胜其他局域网奠定了牢固的基础。“10”与“Base”的含义与“10 Base−5”以太网相同，“T”表示传输媒体使用双绞线。

10 Base−T以太网的传输媒体使用3类非屏蔽双绞线，更好的双绞线当然也可以。与同轴电缆与T型头相比，双绞线与RJ−45头的价格低廉，连接简单；同轴电缆中只有一个电回路，不能进行全双工通信，而双绞线里面有8根电线，两根构成发送电回路，另两根构成接收电回路，可以全双工通信。10 Base−T以太网中每根双绞线最长为100 m，再长时信号衰减严重，可能无法正确接收，如图4−12所示。

图4−12 10 Base−T

（4）10 Base−F。

1993年，IEEE发布10 Base−F以太网标准，“10”与“Base”的含义与10 Base−T以太网相同，F表示传输媒体使用光纤。10 Base−F以太网使用两条光纤，一条光纤发送数据，另一条接收数据，每条光纤最长2 000 m。10 Base−F以太网的拓扑结构及CSMA/CD协议与10 Base−T以太网相同，仅改变了传输媒体。因为光纤的传输距离（2 000 m）比双绞线（100 m）长，所以10 Base−T以太网与10 Base−F以太网经常混合使用，楼内近距离使用双绞线，楼外远距离使用光纤，在光纤与双绞线的连接处用光端机转接。

10 Base−T以太网与10 Base−F以太网优点很多，问世之后迅速代替了同轴电缆以太网。但是它们有一个致命的缺点：当计算机数量很多时，网络性能急剧下降，这是因为计算机越多，发送的数据就越多，碰撞的可能性就越大，计算机发送数据成功的可能性就越小，极端情况下整个网络不能工作。一个这样的以太网就是一个碰撞域（collision domain），一个碰撞域内任意两台及以上计算机同时发送数据就会发生碰撞。以太网的总速率是 10 Mbps，如果有100台计算机，那么每台计算机分得10/100=0.1 Mbps，如果有1 000台计算机，那么每台计算机分得0.01 Mbps。实际的速率远小于此，因为还有很多时间用于处理碰撞。这个问题是广播式链路的固有问题，要解决它就必须对以太网做大的改造。

10 Base−F是一种使用光纤作为传输介质的以太网技术，10 Base−F标准定义了3种不同的光纤规范：10 Base−FL、10 Base−FB、10 Base−FP。其中10 Base−FL是常用的光纤以太网标准，而10 Base−FB和10 Base−FP都没有被广泛采用。

（5）以太网中继规则。

由于传输线路噪声的影响，承载信息的数字信号或模拟信号只能传输有限的距离，如果想要连接更多主机使一个以太网范围更大，就需要使用中继器（集线器）的功能是对接收信号进行再生和发送，从而增加信号传输的距离。但使用中继器连接的网络受限于中继规则（“5−4−3−2−1”规则）。“5”是局域网最多可有5个网段；“4”是全信道上最多可连4个中继器；“3”是其中3个网段可连节点；“2”是有两个网段只用来扩长而不连任何节点，其目的是减少竞发节点的个数，而减少发生冲突的概率；“1”是由此组成一个共享局域网。

2. 快速以太网组网技术

快速以太网（Fast Ethernet）数据传输率为100 Mb/s。快速以太网保留着传统的10 Mb/s以太网的所有特征，即相同的帧格式，相同的介质访问控制方法CSMA/CD，相同的组网方法，而只是把每个比特发送时间由100 ns降低到10 ns。

（1）100 Base−TX。

100 Base−TX支持2对五类非屏蔽双绞线UTP或2对屏蔽双绞线STP。其中1对双绞线用于发送，另1对双绞线用于接收数据。因此100 Base−TX是一个全双工系统，每个节点可以同时以100 Mb/s的速率发送与接收数据。

（2）100 Base−T4。

100 Base−T4支持4对三类非屏蔽双绞线UTP，其中有3对线用于数据传输，1对线用于冲突检测。因为它没有单独专用的发送和接收线，所以不可能进行全双工操作。

（3）100 Base−T2。

100 Base−T2支持2对3类非屏蔽双绞线UTP。其中1对线用于发送数据，另1对用于接收数据，因而可以进行全双工操作。

（4）100 Base−FX。

100 Base−FX支持2芯的多模（62.5 μm或125 μm）或单模光纤。100 Base−FX主要是用作高速主干网，从节点到集线器的距离可以达到412 m。

3. 千兆位以太网组网技术

千兆位以太网兼容原有以太网，同100 Mb/s快速以太网一样，千兆位以太网使用与10 Mb/s传统以太网相同的帧格式和帧大小，以及相同的CSMA/CD协议。这意味着广大的以太网用户可以对现有以太网进行平滑的、无需中断的升级，而且无需增加附加的协议栈或中间件。同时，千兆位以太网还继承了以太网的其他优点，如可靠性较高、易于管理等。

（1）IEEE 802.3z。

IEEE 802.3z负责制定光纤（单模或多模）和同轴电缆的全双工链路标准。IEEE 802.3z定义了基于光纤和短距离铜缆的千兆位以太网传输规范，采用8B/10B编码技术，信道传输速度为1.25 Gb/s，去耦后实现1 000 Mb/s传输速度。

① 1 000 Base−CX。

1 000 Base−CX的传输介质是一种短距离屏蔽铜缆，最长距离可达25 m，这种屏蔽双绞线不是标准的STP，而是一种特殊规格、高质量的、带屏蔽的双绞线。它的特性阻抗为150欧姆，传输速率最高达1.25 Gb/s，传输效率为80%。

② 1 000 Base−LX。

1 000 Base−LX 是一种收发器上使用长波激光（LWL）作为信号源的媒体技术，这种收发器上配置了激光波长为1 270～1 355 nm（一般为1 300 nm）的光纤激光传输器，它可以驱动多模光纤，也可驱动单模光纤，使用的光纤规格有62.5 μm和50 μm的多模光纤，以及9 μm的单模光纤。

③ 1 000 Base−SX。

1 000 Base−SX 是一种在收发器上使用短波激光（SWL）作为信号源的媒体技术，这种收发器上配置了激光波长为770～860 nm（一般为800 nm）的光纤激光传输器，不支持单模光纤，仅支持多模光纤，包括62.5 μm和50 μm两种。

（2）IEEE 802.3ab。

① 1 000 Base−T4。

1 000 Base−T4 是一种使用 5 类 UTP 的千兆位以太网技术，最远传输距离为 100 m。1 000 Base−T4不支持8B/10B编码/译码方案，需要采用专门的更加先进的编码/译码机制。1 000 Base−T4采用4对5类双绞线完成1 000 Mb/s的数据传送，每一对双绞线传送250 Mb/s的数据流。

② 1 000 Base−TX。

1 000 Base−TX也基于4对双绞线电缆，但却是以2对线发送数据，2对线接收数据。由于每对线缆本身不进行双向的传输，线缆之间的串扰就大大降低，同时其编码方式也相对简单。由于要达到1 000 Mb/s的传输速率，要求线缆带宽就超过100 MHz，需要6类双绞线系统的支持。

4. 万兆位以太网组网技术

万兆位以太网是一种只采用全双工数据传输技术，其物理层（PHY）和OSI参考模型的第一层（物理层）一致，负责建立传输介质（光纤或铜线）和MAC层的连接。MAC层相当于OSI参考模型的第二层（数据链路层）。万兆位以太网标准的物理层分为两部分，分别为LAN物理层和WAN物理层。LAN物理层提供了现在正广泛应用的以太网接口，传输速率为10 Gb/s；WAN物理层则提供了与OC−192c和SDH VC−6−64c相兼容的接口，传输速率为9.58 Gb/s。

万兆位以太网规范包含在IEEE 802.3标准的补充标准IEEE 802.3ae中，它扩展了IEEE 802.3协议和MAC规范，使其支持10 Gb/s的传输速率。万兆位以太网联网规范主要有以下几种：

（1）10 GBase−SR和10 GBase−SW。

主要支持短波（850 nm）多模光纤（MMF），光纤距离为2 m到300 m。10 GBase−SR主要支持“暗光纤”（darkfiber），暗光纤是指没有光传播并且不与任何设备连接的光纤。10 GBase−SW主要用于连接SONET设备，它应用于远程数据通信。

（2）10 GBase−LR和10 GBase−LW。

主要支持长波（1 310 nm）单模光纤（SMF），光纤距离为2 m到10 km（约32 808英尺）。10 GBase−LW主要用来连接SONET设备时，10 GBase−LR则用来支持“暗光纤”。

（3）10 GBase−ER和10 GBase−EW。

主要支持超长波（1 550 nm）单模光纤（SMF），光纤距离为2 m到40 km。10 GBase−EW主要用来连接SONET设备，10 GBase−ER则用来支持“暗光纤”。

（4）10 GBase−LX4。

10 GBase−LX4采用波分复用技术，在单对光缆上以4倍波长发送信号。10 GBase−LX4系统运行在1 310 nm的多模或单模暗光纤方式下。该系统的设计目标是针对2～300 m的多模光纤模式或2 m～10 km的单模光纤模式。

5. 局域网组网技术的选择

目前在大中型局域网设计中，通常采用由星型结构中心点通过级联扩展形成的树型拓扑结构，如图4−13所示。一般可以把这种树型结构分成三个层次，即核心层、汇聚层和接入层。在不同的层次可以选用不同的组网技术、网络连接设备和传输介质。例如在核心层可以使用1 000 Base−SX 吉比特以太网技术，采用多模光纤光缆作为传输介质；在汇聚层可以使用100 Base−TX快速以太网技术，采用双绞线电缆作为传输介质；在接入层可以使用10 Base−T传统以太网技术，采用双绞线电缆作为传输介质。这样既保证了网络的整体性能，又将网络的成本控制在一定的范围内，而且还可以根据用户的不同需求进行灵活的扩展和升级。

图4−13 树型拓扑结构